JP3787137B2

JP3787137B2 - 超磁歪アクチュエータ

Info

Publication number: JP3787137B2
Application number: JP2003425263A
Authority: JP
Inventors: まゆみ田尻; 勝也内田; 拓杉木
Original assignee: Nikkeikin Aluminum Core Technology Co Ltd
Current assignee: Nikkeikin Aluminum Core Technology Co Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP2005177688A

Description

この発明は振動板を振動させて音を放射させるために用いる超磁歪アクチュエータに関する。

超磁歪アクチュエータは磁界の強さに応じて生ずる超磁歪素子の寸法変化（伸縮）を利用するもので、高速かつ大変位・高パワーなアクチュエータとして近年注目されている。
図６は音声振動発生源として超磁歪アクチュエータを使用したスピーカ（超磁歪スピーカ）の従来構成例を示したものであり、ハウジング１１内に音声信号が供給されるコイル１２と、コイル１２の生ずる磁界変化により伸縮する柱状の超磁歪素子１３と、超磁歪素子１３に圧縮方向に荷重（プリストレス）を加えるバネ１４と、超磁歪素子１３にバイアス磁界を印加する磁石（永久磁石）１５が収納されている。バネ１４はこの例では皿バネとされている。

超磁歪素子１３の自由端１３ａには可動ロッド１６が連結されており、ハウジング１１の外部に突出された可動ロッド１６の先端に振動板１７が取り付けられている。可動ロッド１６は超磁歪素子１３の伸縮に伴って変位し、よってコイル１２に音声信号を供給することにより、音声信号に応じた変位が可動ロッド１６を介して振動板１７に伝達され、振動板１７が振動して空間に音が放射されるものとなっている。図６中、１８はハウジング１１が固定されている筐体を示す（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２６６４９６号公報

ところで、スピーカにおいては低音から高音まで広い範囲の音が均等に出せることが要求されるものの、低域の音を出すことは一般にむずかしく、このためウーハを別途追加して用いるといったことが一般に行われている。この点は上述した超磁歪アクチュエータを用いたスピーカも同様であり、高域は良好な特性が得られるものの、低域特性は良くないといった問題があった。
この発明の目的はこの問題に鑑み、低域特性が良好で広い再生周波数帯域を実現することができるスピーカ用超磁歪アクチュエータを提供することにある。

請求項１の発明によれば、振動板を振動させて音を放射させるために用いる超磁歪アクチュエータは、音声信号が供給されるコイルと、そのコイルの生ずる磁界変化により伸縮する２つの互いに径の異なる柱状超磁歪素子とを具備し、それら超磁歪素子は同軸上に直列配置されて、その一端側自由端に振動板を振動させる可動ロッドが連結されているものとされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、２つの超磁歪素子の両者に圧縮荷重を加える第１のバネと、他方に対して大径とされた一方の超磁歪素子にのみ圧縮荷重を加える第２のバネとが設けられているものとされる。

請求項３の発明では請求項２の発明において、２つの超磁歪素子は上記一方の超磁歪素子が底面側とされて、上面が開放されたケース内に収容され、可動ロッドはケースの上面を蓋する蓋から先端が外部に突出され、ケースの内部底面上に固定された慣性質量と上記一方の超磁歪素子との間、２つの超磁歪素子間及び他方の超磁歪素子と可動ロッドの内端に形成された大径部との間に、超磁歪素子にバイアス磁界を印加する第１、第２及び第３の磁石がそれぞれ介在され、第１のバネは上記大径部と蓋の間に挟み込まれ、第２のバネは上記他方の超磁歪素子を囲むように第２の磁石の周縁上に搭載された円筒体の上端に形成されたフランジと蓋の間に挟み込まれ、上記円筒体及び一方の超磁歪素子を囲むようにケース内に収容されたボビンに上記コイルが巻回されているものとされる。

請求項４の発明では請求項２の発明において、２つの超磁歪素子は上記一方の超磁歪素子が底面側とされて、上面が開放されたケース内に収容され、可動ロッドはケースの上面を蓋する蓋から先端が外部に突出され、ケースの内部底面上に固定された慣性質量と上記一方の超磁歪素子との間、２つの超磁歪素子間及び他方の超磁歪素子と可動ロッドの内端に形成された大径部との間に、超磁歪素子にバイアス磁界を印加する第１、第２及び第３の磁石がそれぞれ介在され、第１のバネは上記大径部と蓋の間に挟み込まれ、第２のバネは第２の磁石の周縁部と蓋の間に挟み込まれ、上記一方の超磁歪素子を囲むようにケース内に収容された第１のボビンと、第２の磁石上に搭載されて上記他方の超磁歪素子と第２のバネとの間に位置された第２のボビンとに上記コイルがそれぞれ巻回されているものとされる。

請求項５の発明では請求項２の発明において、２つの超磁歪素子は上記一方の超磁歪素子が底面側とされて、上面が開放されたケース内に収容され、可動ロッドはケースの上面を蓋する蓋から先端が外部に突出され、ケースの内部底面上に固定された慣性質量と上記一方の超磁歪素子との間、２つの超磁歪素子間及び他方の超磁歪素子と可動ロッドの内端に形成された大径部との間に、超磁歪素子にバイアス磁界を印加する第１、第２及び第３の磁石がそれぞれ介在され、第１のバネは上記大径部と蓋の間に挟み込まれ、上記一方の超磁歪素子を囲むようにケース内に収容された第１のボビンと、上記他方の超磁歪素子を囲むように第２の磁石の周縁上に搭載された第２のボビンとに上記コイルがそれぞれ巻回され、第２のバネは第２のボビンの上端面と蓋の間に挟み込まれているものとされる。
請求項６の発明では請求項３の発明において、上記円筒体の上端に、可動ロッドを囲むように複数のロッドが突出形成され、それらロッドは先端が蓋から外部に突出されているものとされる。

この発明によれば、振動板を振動させる可動ロッドの低域における振動振幅を強調させることができ、よって低域特性が良好で広帯域なスピーカを実現することができる。

この発明を実施するための最良の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明によるスピーカ用超磁歪アクチュエータの一実施例を示したものであり、この例では超磁歪アクチュエータ２０はケース２１内に互いに径の異なる２つの円柱状超磁歪素子２２，２３を具備するものとなっている。
ケース２１は一端が開放された円筒形をなすものとされ、その内部底面上には慣性質量２４が配置されている。慣性質量２４上には第１の磁石２５が対接されて搭載され、この磁石２５上に同軸上に直列配置された超磁歪素子２２，２３が搭載されている。超磁歪素子２２，２３は大径の超磁歪素子２２がケース２１の底面側とされてケース２１の中心軸上に位置されており、両超磁歪素子２２，２３の間には第２の磁石２６が介在され、さらに上側に位置する小径の超磁歪素子２３の上には第３の磁石２７が対接されて搭載されている。慣性質量２４は円板状とされて例えば接着によりケース２１に固定されており、超磁歪素子２２，２３にバイアス磁界を印加する３つの磁石（永久磁石）２５〜２７も円板状とされている。なお、２つの超磁歪素子２２，２３間に挟持されている磁石２６は図１Ｂに示したように超磁歪素子２２，２３より大径とされている。

上記のように直列配置された超磁歪素子２２，２３は下端が固定端、上端が自由端とされ、この自由端に配置されている磁石２７上に可動ロッド２８が搭載されている。可動ロッド２８はその中心軸が超磁歪素子２２，２３の中心軸と一致されており、ケース２１の開放上面を蓋する蓋２９に設けられている貫通孔３１を介して先端側が外部に突出されている。可動ロッド２８の内端には磁石２７と対接する大径部２８ａが形成されており、また突出先端部２８ｂはこの例では球面状をなすものとされている。なお、蓋２９はこの例ではキャップ３２によって抜け止め固定されており、キャップ３２とケース２１とは図には示していないが、その円筒周面部分において例えばネジ止めされて固定されている。図１中、３３はキャップ３２に設けられている開口を示す。
超磁歪素子２２，２３に圧縮方向に荷重（プリストレス）を加えるバネは２つ設けられており、第１のバネ３４は可動ロッド２８の大径部２８ａと蓋２９の内面との間に挟み込まれている。第２のバネ３５は上側に位置する小径の超磁歪素子２３を囲むように磁石２６の周縁上に搭載された円筒体３６の上端に形成されているフランジ３６ａと蓋２９の内面との間に挟み込まれており、この例ではこれらバネ３４，３５は共に圧縮コイルバネによって構成されている。

このようにバネ３４，３５を配置することにより、大径の超磁歪素子２２にはバネ３４，３５の両方によって圧縮荷重が加えられ、小径の超磁歪素子２３には一方のバネ３４によって圧縮荷重が加えられるものとなる。
音声信号が供給されるコイル３７はボビン３８に巻回されてケース２１内に収容されている。ボビン３８は大径の超磁歪素子２２及び円筒体３６の回りを囲むように配置され、それら超磁歪素子２２及び円筒体３６とわずかな間隙を介して円筒部３８ａが対向するように円筒部３８ａの中間に段部３８ｂを有するものとなっている。なお、ボビン３８はその下端面が慣性質量２４上に搭載されて固定されている。
上記のような構造において、超磁歪素子２２，２３の材料には例えばＴＤＫ（株）製のＰＭＳ−１を用いることができる。ケース２１、ボビン３８、キャップ３２及び円筒体３６は例えばアルミニウム製とされ、可動ロッド２８及び慣性質量２４は例えば黄銅製とされる。また、蓋２９は例えば樹脂製とされる。

次に、この図１に示したように互いに径の異なる２つの超磁歪素子２２，２３を有し、それらが同軸上に直列配置されてなる構成を有する超磁歪アクチュエータ２０の特性について説明する。
図２は超磁歪素子の磁歪値の周波数特性の形状依存性を示したものであり、横軸は駆動周波数を示し、縦軸は超磁歪素子に±０．５ｋＯｅの磁界変化を与えた時の磁歪値をｐ−ｐ振幅値（単位：ｐｐｍ）として寸法変化率で示したものである。なお、φ１×８ｍｍという表示は直径１ｍｍ、長さ８ｍｍであることを示す。
この図２から明らかなように、超磁歪素子は径が小さいほど、周波数特性が高域まで伸びており、また低域における寸法変化率は径及び長さに依存しないものとなっている。従って、径の異なる超磁歪素子を直列配置して組み合わせることにより、例えば超磁歪素子が単一の場合と比べて、低域の寸法変化量を強調することができる。

図３はこのように径の異なる超磁歪素子を組み合わせた場合の磁歪値の周波数特性を示したものであり、図３Ａ〜Ｃはφ６×２０ｍｍの超磁歪素子に対し、それぞれφ１０×１０ｍｍ、φ１０×２０ｍｍ、φ１０×３０ｍｍの超磁歪素子を組み合わせた場合を示している。なお、縦軸は±０．５ｋＯｅの磁界変化を与えた時の磁歪値をｐ−ｐ振幅値（単位：μｍ）として絶対値で示している。
この図３に示したように、一つの超磁歪素子（φ６×２０ｍｍ）に、それより径の大きい超磁歪素子を組み合わせることにより低域における寸法変化量を強調（増大）することができ、またその大径の超磁歪素子の長さを選定することにより、低域が所望量強調された周波数特性を得ることができる。なお、図１に示した実施例では大径の超磁歪素子２２はφ１０×２０ｍｍとし、小径の超磁歪素子２３はφ６×２０ｍｍとした。
上述したような構成を有する超磁歪アクチュエータ２０によれば、コイル３７に音声信号を供給することにより、超磁歪素子２２，２３はコイル３７の発生する磁界に応じて伸縮し、よってこれら超磁歪素子２２，２３の自由端側に連結されている可動ロッド２８が振動する。従って、この可動ロッド２８によって振動板４１を振動させることにより振動板４１は空間に音を放射するものとなる。

可動ロッド２８の振動は２つの超磁歪素子２２，２３の寸法変化の加算となり、つまり低域の振幅が強調されているため、図６に示した従来の超磁歪アクチュエータを使用したスピーカに比し、振動板４１の低域における振幅を相対的に大きくすることができ、よってこの超磁歪アクチュエータ２０を用いれば低域特性が良好で、かつ広帯域なスピーカを実現することができる。
なお、超磁歪素子２２，２３にはその断面積に応じた適正な圧縮荷重（プリストレス）を加える必要があるが、この例では２つのバネ３４，３５を備え、それらを図１に示したように配置しており、これによって２つの超磁歪素子２２，２３に圧縮荷重をそれぞれ最適に加えられるものとなっている。
上述した超磁歪アクチュエータ２０では可動ロッド２８は振動板４１と固定されず、図示していない押圧手段によって超磁歪アクチュエータ２０全体が振動板４１に押圧されて可動ロッド２８が振動板４１と所要の接触圧で接触し、振動が伝達されるものとなっているが、例えば可動ロッド２８に振動板４１を取り付けて固定するようにしてもよい。なお、この図１に示したような可動ロッド２８が振動板４１に押圧接触される構造の超磁歪アクチュエータ２０は例えば既存の構造体を振動板として機能させるといった場合に使用され、そのような例としては例えば中空の柱状体を振動板とし、その柱状体内にこの超磁歪アクチュエータ２０を収納する場合が挙げられる。

図４Ａ，Ｂはこの発明による超磁歪アクチュエータの他の実施例をそれぞれ示したものであり、図１と対応する部分には同一符号を付してある。
図４Ａに示した超磁歪アクチュエータ５０は音声信号が供給されるコイル３７が巻回されるボビンを２つ有するものとなっており、第１のボビン５１は大径の超磁歪素子２２を囲むように慣性質量２４上に搭載固定され、第２のボビン５２は小径の超磁歪素子２３を囲むように、両超磁歪素子２２，２３間に挟持されている磁石２６上に搭載固定されている。なお、大径の超磁歪素子２２にのみ圧縮荷重を加えるバネ３５は圧縮コイルバネとされ、この例では磁石２６の周縁部と蓋２９の内面との間に挟み込まれた構造となっており、コイル３７が巻回されたボビン５２はこのバネ３５と超磁歪素子２３との間に位置するものとなっている。
図４Ｂに示した超磁歪アクチュエータ６０は図４Ａに示した超磁歪アクチュエータ５０と同様、２つのボビン５１，５２を有するものとなっているが、バネ３５の配置が図４Ａと異なり、ボビン５２の上端面と蓋２９の内面との間に挟み込まれた構造となっている。この例ではバネ３５による圧縮荷重はボビン５２及び磁石２６を介して大径の超磁歪素子２２に加えられるものとなっている。バネ３５の配置は図１に示した配置構造に限らず、これら図４Ａ，Ｂに示したような配置構造とすることもできる。なお、これら図４Ａ，Ｂに示した超磁歪アクチュエータ５０，６０では小径の超磁歪素子２３に対し、磁界変化を与えるコイル３７をより近接配置することができる。

次に、図５に示した超磁歪アクチュエータの構造について説明する。
この図５に示した超磁歪アクチュエータ７０は図１に示した超磁歪アクチュエータ２０の円筒体３６の上端にロッド３６ｂを突出形成したものであり、この例では可動ロッド２８を囲むように３本のロッド３６ｂが等角間隔で形成されている。これらロッド３６ｂは蓋２９に形成された貫通孔７１を介してそれぞれ先端側が外部に突出されており、突出先端面３６ｃは可動ロッド２８と同様、球面状とされている。なお、ロッド３６ｂの突出高さは可動ロッド２８の突出高さより低くされている。また、キャップ３２の開口３３はこれらロッド３６ｂの突出を妨げないように図１より大きくされている。

上記のような構成とされた超磁歪アクチュエータ７０では超磁歪素子２２，２３の加算された寸法変化によって振動する可動ロッド２８に加え、大径の超磁歪素子２２の寸法変化のみによって振動するロッド３６ｂも有するものとなっており、このロッド３６ｂの振動は低域における振幅が大きいものとなっている。従って、振動板４１に加え、例えば図５に示したように低音域用の振動板４２を追加し、この振動板４２を３本のロッド３６ｂによって振動させるようにすれば低音がより強調されたスピーカを実現することができる。なお、振動板４２には可動ロッド２８用の貫通孔４３が設けられている。低音域用の振動板４２は高剛性で薄く、かつ面積が大きいものとされる。

この発明による超磁歪アクチュエータの一実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂは断面図。超磁歪素子の磁歪値の周波数特性を示すグラフ。径の異なる超磁歪素子を組み合わせた場合の磁歪値の周波数特性を示すグラフ、Ａ〜Ｃは大径（φ１０ｍｍ）の超磁歪素子の長さを変えていった場合を示す。Ａ，Ｂはそれぞれこの発明による超磁歪アクチュエータの他の実施例を示す断面図。図１に示した超磁歪アクチュエータに対し、低音域用の振動板を振動させるロッドを追加した例を示す図、Ａは平面図、Ｂは振動板と共に示した断面図。従来の超磁歪アクチュエータを用いたスピーカの構成を示す断面図。

Claims

振動板を振動させて音を放射させるために用いる超磁歪アクチュエータであって、
音声信号が供給されるコイルと、
そのコイルの生ずる磁界変化により伸縮する２つの互いに径の異なる柱状超磁歪素子とを具備し、
それら超磁歪素子は同軸上に直列配置されて、その一端側自由端に上記振動板を振動させる可動ロッドが連結されていることを特徴とする超磁歪アクチュエータ。
請求項１記載の超磁歪アクチュエータにおいて、
上記２つの超磁歪素子の両者に圧縮荷重を加える第１のバネと、他方に対して大径とされた一方の超磁歪素子にのみ圧縮荷重を加える第２のバネとが設けられていることを特徴とする超磁歪アクチュエータ。
請求項２記載の超磁歪アクチュエータにおいて、
上記２つの超磁歪素子は上記一方の超磁歪素子が底面側とされて、上面が開放されたケース内に収容され、
上記可動ロッドは上記ケースの上面を蓋する蓋から先端が外部に突出され、
上記ケースの内部底面上に固定された慣性質量と上記一方の超磁歪素子との間、２つの超磁歪素子間及び他方の超磁歪素子と上記可動ロッドの内端に形成された大径部との間に、超磁歪素子にバイアス磁界を印加する第１、第２及び第３の磁石がそれぞれ介在され、
上記第１のバネは上記大径部と上記蓋の間に挟み込まれ、
上記第２のバネは上記他方の超磁歪素子を囲むように上記第２の磁石の周縁上に搭載された円筒体の上端に形成されたフランジと上記蓋の間に挟み込まれ、
上記円筒体及び一方の超磁歪素子を囲むように上記ケース内に収容されたボビンに上記コイルが巻回されていることを特徴とする超磁歪アクチュエータ。
請求項２記載の超磁歪アクチュエータにおいて、
上記２つの超磁歪素子は上記一方の超磁歪素子が底面側とされて、上面が開放されたケース内に収容され、
上記可動ロッドは上記ケースの上面を蓋する蓋から先端が外部に突出され、
上記ケースの内部底面上に固定された慣性質量と上記一方の超磁歪素子との間、２つの超磁歪素子間及び他方の超磁歪素子と上記可動ロッドの内端に形成された大径部との間に、超磁歪素子にバイアス磁界を印加する第１、第２及び第３の磁石がそれぞれ介在され、
上記第１のバネは上記大径部と上記蓋の間に挟み込まれ、
上記第２のバネは上記第２の磁石の周縁部と上記蓋の間に挟み込まれ、
上記一方の超磁歪素子を囲むように上記ケース内に収容された第１のボビンと、上記第２の磁石上に搭載されて上記他方の超磁歪素子と上記第２のバネとの間に位置された第２のボビンとに上記コイルがそれぞれ巻回されていることを特徴とする超磁歪アクチュエータ。
請求項２記載の超磁歪アクチュエータにおいて、
上記２つの超磁歪素子は上記一方の超磁歪素子が底面側とされて、上面が開放されたケース内に収容され、
上記可動ロッドは上記ケースの上面を蓋する蓋から先端が外部に突出され、
上記ケースの内部底面上に固定された慣性質量と上記一方の超磁歪素子との間、２つの超磁歪素子間及び他方の超磁歪素子と上記可動ロッドの内端に形成された大径部との間に、超磁歪素子にバイアス磁界を印加する第１、第２及び第３の磁石がそれぞれ介在され、
上記第１のバネは上記大径部と上記蓋の間に挟み込まれ、
上記一方の超磁歪素子を囲むように上記ケース内に収容された第１のボビンと、上記他方の超磁歪素子を囲むように上記第２の磁石の周縁上に搭載された第２のボビンとに上記コイルがそれぞれ巻回され、
上記第２のバネは上記第２のボビンの上端面と上記蓋の間に挟み込まれていることを特徴とする超磁歪アクチュエータ。
請求項３記載の超磁歪アクチュエータにおいて、
上記円筒体の上端に、上記可動ロッドを囲むように複数のロッドが突出形成され、
それらロッドは先端が上記蓋から外部に突出されていることを特徴とする超磁歪アクチュエータ。